CA2997164C - Magnetohydrodynamic generator - Google Patents
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Abstract
Description
GEN ERATEU R MAGNI Er HYDRODYNAM IQU E
Arrière-plan de l'invention Le présente invention concerne le domaine de la magnétohydrodynamique et en particulier son utilisation pour la récupération d'au moins une partie de. l'énergie résiduelle du fluide de travail d'une turbine.
On entend par turbine un dispositif rotatif destiné à utiliser l'énergie d'un fluide de travail pour faire tourner un arbre rotatif.. L'énergie du fluide de travail, caractérisée par sa vitesse et son enthalpie, est ainst.
partiellement convertie en énergie métanique qui peut être extraite par l'arbre rotatif. Toutefois, le fluide de travail garde normalement, en aval de la turbine, une importante énergie résiduelle. Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail..
Dans la demande de brevet français .FR 2 085 190, on a déjà proposé.
d'utiliser un générateur magnétohydrodynamique en complément d'une.
turbine pour récupérer de l'énergie contenue dans le 'fluide de travail de la.
turbine Dans un tel générateur magnétohydrodynamique, l'écoulement d'un fluide ionisé, soumis à un champ magnétique .en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide ionisé1. génère un courant.
électrique entre deux électrodes espacées l'une par rapport à l'autre: dans.
une autre .direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide ionisé et au champ magnétique.
En pratique, toutefois, l'intégration d'un tel générateur magnétohydrodynamique et d'Une turbine n'est pas sens inconvénients,.
notamment en ce qui concerne l'agencement des électrodes et des moyens dé génération du champ magnétique dans une veine d'écoulement du fluide de travail de la turbine.
3.5 Objet et résumé de. l'invention La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un générateur magnétohydrodynamique permettant une intégration plus simple dans un ensemble comprenant une turbine destinée .à être actionnée par le même fluide de travail.
Dans au moins un n'Iode de réalisation, .ce but est atteint grâce au fait que le générateur magnétohydrodynamique, oui comprend une veine d'écoulement d'un fluide de travail délimitée par une première paroi et une deuxième paroi et un .dispositif d'ionisation du fluide de travail, comprend aussi en outre au moins une paire ...bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation de manière à délimiter entre lesdits bras et lesdites: parois un canal dans la veine d'écoulement disposé pour être traVerse par une partie du fluide de travail _après sa ionisation, un aimant pour générer un champ magnétique orienté en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail dans le canal délimité par la paire -de bras et lesdites parois, et au Moins..
une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d'un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, les électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à.
l'écoulement du fluide de travail dans le canai délimité par la paire de bras et 'lesdites parois. L'aimant peut être un électroaimant. avec éventuellement un solénoïde pouvant être avantageusement à
conductivité améliorée grâce à l'intégration de nanotube de carbone dans l'âme .du conducteur Qu encore être .supraconducteur, mais pourrait aussi être un aimant permanent. Dans un tas tomme dans l'autre, il pourrait comprendre un noyau laminé.
Grâce à. ces dispositions, on facilite l'arrangement des électrodes et des pôles de l'aimant suivant deux axes senSiblement perpendiculaires entre eux et par rapport à l'écoulement dû fluide de travail.. En outre, on peut se limiter à générer de l'électricité qu'a partir d'une partie du fluide de travail d'une turbine, ce oui peut être souhaité, par exemple,; si la turbine est destinée à fournir une puissance mécanique relativement importante,: tandis que le générateur magnétohydrodynamique est destinée a fournir ..une puissance électrique sensiblement plus réduite, à
titre auxiliaire.
En particulier, chaque électrode de chaque poire d'électrodes peut être disposée sur un bras de ladite paire de: bras. Dans ce cas, pour générer un champ magnétique 'perpendiculaire à l'écoulement du. fluide de travail à la direction dans laquelle les électrodes sont séparées l'une de l'autre, l'aimant peut comprendre un noyau logé, à l'intérieur d'un desdits bras Toutefois, un arrangement alternatif est également envisageable dans lequel chaque électrode de chaque paire serait disposée...sur l'une des parois délimitant la veine- d'écoulement, l'aimant étant alors arrangé pour générer un champ magnétique. orienté .dans la direction dans laquelle les bras sont séparées l'un de l'autre 15.
Afin d'accélérer l'écoulement du fluide dans le canal délimité par les parois et les bras, pour ainsi augmenter le rendement du générateur ma.gnétohydrodynamique, les première et deuxième parois peuvent converger l'une. vers Vautre dans un sens d'écoulement des gaz de .20 combustion sur au moins un premier segment de la veine d'écoulement Situe en amont de ladite paire de bras. Dans ce cas, et afin d'éviter une poussée importante de réaction, notamment quand le générateur magnétohydrodynamique est installé dans une tuyère de. sortie d'un turbomoteur, et en particulier d'Un turbomoteur d'aéronef à vellUte 25 tournante, les première et deuxième parois peuvent diverger l'Une de l'autre dans un sens d'écoulement du fluide de travail .sur au moins un deuxième segment de la veine d'écoulement situé en aval de 'ladite paire de bras, de manière à réduite à nouveau la vitesse d'écoulement..
30 Afin de permettre l'ionisation efficace du fluide de: travail, et en particulier d'un fluide de travail gazeux, ledit dispositif d'ionisation peut prendre la forme d'une torche à. plasma. 'Une telle torche à plasma peut notamment comprendre une paire d'électrodes connectées à un .dispositif de génération .d'un potentiel électrique .continu ou alternatif entre les.
35 électrodes de cette paire qui soit égal Qu supérieur au potentiel d'ionisation du fluide de travail. Toutefois, d'autres types de dispositifs d'ionisation sont aussi enyisagea.bies comme par exemple Un dispositif d'ionisation per injection da micro-ondes, par décharge hélicon ou par couplage inductif. Par ailleurs, pour faciliter [ionisation du fluide de travail, le générateur petit comprendre un dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel' d'ionisation en amont dudit dispositif d'ionisation, ainsi qu'éventuellement un filtre de récupération des éléments à bas potentiel.
d'ionisation en aval du canal délimité par les parois et les bras.
Des. distances relativement courtes entre électrodes et pôles magnétiques 'opposés dans le canal délinlité par la paire de bras et les parois peuvent être positives =pour le rendement et l'efficacité .du générateur magnétohydrodynamique. Pour augmenter la quantité. de fluide de travail servant à la génération magnétohydrodynamique, tout: en limitant ces dimensions, le générateur peut comprendre une pluralité de paires de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation et, pour chaque paire de bras, un aimant et une paire d'électrodes. En divisant la génération magnétohydrodynamique d'électricité entre plusieurs canaux, il est possible d'augmenter la puissance électrique tout en maintenant une section d'écoulement restreinte pour chaque canai. Les paires d'électrodes de chaque Canal peuvent être connectées électriquement en série QL1 .en parallèle.
Afin d'adapter plus facilement ce générateur magnétohydrodynamique à une turbine, la veine d'écoulement peut être.
annulaire, lesdites première et deuxième parois étant concentriques autour d'Un axe central de la veine d'écoulement, et lesdits bras étant radiaux.
La. présente divulgation concerne aussi une turbomachine .30 comprenant au moins un tel générateur Magnétohydrodynamique, .et au moins une turbine disposée pour être actionnée. par Je même .fluide de travail que le générateur magnétohydrodynamique, Le générateur magnétohydrodynamique peut ainsi servir par exemple à récupérer au moins une partie de l'énergie résiduelle du fluide de travail ne pouvant pas être exploitée par la turbine. Cette turbomachine peut notamment comporter une chambre de combustion en amont de la turbine et du générateur magnétohydrodynamique, pour produire des gaz de combustion à enthalpie élevée formant le fluide de travail de la turbine et du générateur magnétohydrodynamique en aval et dont les hautes températures facilitent leur ionisation. Par ailleurs, pour augmenter 5 l'enthalpie des gaz de combustion et impulser leur écoulement, cette turbomachine peut comprenant au moins un compresseur en amont de la chambre de combustion et une première turbine qui est couplée audit compresseur à travers un premier arbre rotatif pour son actionnement.
Elle peut aussi comprendre une deuxième turbine. Dans ce dernier cas, cette deuxième turbine, qui peut notamment être située en aval de la première turbine mais en amont du générateur magnétohydrodynamique, pourrait être couplée à un arbre de sortie pour former un turbomoteur, comme par exemple un turbomoteur d'aéronef à voilure tournante r Afin de mieux pouvoir exploiter l'énergie résiduelle du fluide de travail qui ne peut pas être exploitée par la turbine, le générateur magnétohydrodynamique peut être =disposé dans une tuyère de sortie en aval de la turbine.
La présente divulgation concerne aussi un procédé
magnétohydrodynamique de génération électrique dans lequel un fluide de travail est au moins partiellement ionise par un dispositif d'ionisation dans une veine d'écoulement délimitée par une première et une deuxième paroi, et une partie ionisée du fluide de travail traverse un canal délimM
dans la veine d'écoulement par lesdites parois et une paire de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation, et est soumise à un champ magnétique généré dans ce canal par un aimant en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail, de manière à générer un courant électrique entre des électrodes d'au moins une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d'un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, les électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à l'écoulement des gaz de combustion dans ce canal. Ce procédé magnétohydrodynamique de génération électrique peut notamment servir à récupérer de l'énergie résiduelle d'un fluide de travail ayant préalablement servi à entraîner au moins une turbine.: En. particulier, à bord d'un véhicule. propulsé .par un moteur à turbine, ce procédé.
Magnétohydrodynamique peut servir à générer .de 1'énergie électrique servant à alimenter .des équipements auxiliaires .du véhicule autres que le:
moteur à turbine.
Brève description des dessins Onvention sera bien comprise et ses avantages. apparaîtront Mieux, à la lecture de la description détaillée oui suit,. de .modes de réalisation représentes .à. titre .cl'exemples. non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
la figure I est une vue schéniatique en perspective d'Un aéronef à
voilure tournante. avec un turbomoteur équipé d'un générateur magnétohydrodynamique suivant un mode de réalisation ;
la figure 2 est une. vue schématique en coupe longitudinale d'un des turbomoteurs de la figure..?
--- la figure 3.A est une vue schématique en perspective d'une partie du générateur magnétohydrodynamique .du turbomoteur de la figure 2;
¨la figure 313 illustre un détail de la figure 3A;
¨ la figure 4 est une. vue schématique .en perspective d'un générateur magnétohydrodynamique suiVant un deuxième mode.
de réalisation ;
la. figure 5. est une vue schématique en perspective d'Un générateur Magnétohydrodynamique suivant un troisième mode de réalisation;
¨ la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbomoteur :suivant un quatrième mode de. réalisation ; et le figure 7 est une vue schématique d'un turbomoteur suivant un cinquième mode de réalisation.
Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre un aéronef à voilure tournante, plus précisément un hélicoptère 100, avec un turbomoteur 101 polir i'actio.nnement de son rotor principal 102 et son rotor de queue 103 à travers une transmission 104. Le turbomoteur 101 comprend un générateur magnétohydrodynamique 10 suivant un mode de réalisation pour fournir un courant électrique aux différents consommateurs électriques embarqués sur l'hélicoptère 1.
Comme illustré en plus grand détail sur la figure 2, le turbomoteur 101 comprend un générateur de gaz avec, dans le sens d'écoulement de l'air, un compresseur 201, une chambre de combustion 202 avec un allumeur et des injecteurs connectées à un circuit d'alimentation en carburant (non illustrés), et une première turbine 203, couplée au compresseur 201 à travers un premier arbre rotatif 204. En aval de cette première turbine 203, le turbomoteur 101 comprend une deuxième turbine 205 couplée à un deuxième arbre rotatif 206, qui dans l'hélicoptère 1 est couplable à la transmission 104 pour actionner les rotors 102, 103. Finalement, en aval de la deuxième turbine 205, le turbomoteur comprend une tuyère 207 de sortie des gaz de combustion.
Dans ce premier mode de réalisation, le générateur magnétohydrodynamique 10 est intégré dans cette tuyère 206 en aval des turbines 203, 205. Au sein de ce générateur magnétohydrodynamique 10, la veine annulaire 11 d'écoulement des gaz de combustion qui constituent, dans ce mode de réalisation, le fluide de travail des turbines 203, 205 et du générateur magnétohydrodynamique 10, est délimitée par une première paroi 12, interne, et une deuxième paroi 13, externe et concentrique à la première paroi 12 autour de l'axe central X du turbomoteur 101. Le générateur magnétohydrodynamique 10 comprend aussi un dispositif 14 d'ionisation des gaz de combustion. Ce dispositif d'ionisation 14 peut être, par exemple, une torche à plasma avec deux électrodes configurées pour créer un champ électrique entre elles, champ électrique suffisamment puissant pour ioniser les gaz de combustion circulant à des températures et vitesses élevées à travers la veine annulaire 11 pour créer un plasma froid électriquement conducteur. Ce champ électrique fort peut être continu ou alternatif, un champ alternatif permettant d'éviter un déséquilibre thermique du plasma froid. Pour faciliter l'ionisation des gaz de combustion, le turbomoteur 101 peut comprendre aussi un dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel d'ionisation, comme le potassium, en amont du dispositif d'Ionisation. Ce dispositif d'injection d'éléments à bas potentiel d'ionisation peut notamment être intégré dans le circuit d'alimentation en carburant, de manière à ce que les éléments à bas potentiel d'ionisation soient injectés dans la chambre de combustion 202 avec le carburant.
Sur un premier segment 11=a de veine annulaire 11 d'écoulement des gaz de combustion au sein de ce générateur magnétohydrodynamique 10, les parois 12, 13 convergent dans le sens d'écoulement des gaz de combustion afin d'accélérer leur écoulement, tandis que sur un deuxième segment 11b, ces parois 12, 13 divergent à nouveau dans le sens d'écoulement des gaz de combustion de manière à réduire leur vitesse avant leur sortie de la tuyère 207. Entre le segment convergent lia et le segment divergent llb des paires de bras radiaux 15 relient les parois 12, 13, de manière à former des canaux 16 dans la veine 11, chaque canal 16 étant délimité par les parois 12, 13 et les bras 15 d'une paire. Pour éviter que les éléments à bas potentiel d'ionisation injectés en amont soient ensuite expulsés à l'extérieur, le générateur 10 peut aussi comporter un filtre (non illustré) de récupération des éléments à bas potentiel d'ionisation en aval des canaux 16.
Dans le mode de réalisation illustré en plus grand détail sur les figure 3A, 3B, le générateur magnétohydrodynamique 10 comprend, pour chaque canal 16, au moins une électrode 17 montée sur une face interne de chacun des bras 15 délimitant ce canal 16, de manière à être exposée aux gaz de combustion ionisés traversant ce canal 16, ainsi qu'un électroaimant 18 avec des pôles 18a,18b opposés en direction radiale, couverts respectivement par la paroi interne 12 et la paroi externe 13 d'un côté et d'autre du canal 16, et reliés par un noyau 18c logé dans l'un des bras 15, laminé et entouré par un solénoïde 18d, de manière à générer un champ magnétique B dans le canal 16 qui soit orienté en direction radiale et donc sensiblement perpendiculaire à l'écoulement des gaz de combustion ionisés dans le canal 16. Afin de générer un champ magnétique particulièrement puissant, le solénoïde 18d peut notamment:
être supraconducteur.
Ainsi, dans ce mode de réalisadon, l'écoulement de gaz de.
combustion ionisés à travers chaque canal .16, soumis au champ.
magnétique. B: généré par l'électroaimant 18: peut générer une force électromotrice et donc un courant électrique entre les électrodes 17, situées de cheque côté. du. canal 16 et donc opposées l'une a l'autre. dans une direction perpendiculaire tant .à la direction de l'écoulement qu'à la direction du champ magnétique B.
Dans un mode de réalisation alternatif, illustré par la figure. 4, l'arrangement des. parois 12,13, des bras 15õ ainsi que donc des canaux 16 est -identique. Toutefois, les électrodes 1.7 correspondant à .chaque canal 16 ne sont pas montées .sur les bras 15, mais sur les faces internes des parois 1243 de manière à être exposées au canal 16, mais opposées en direction radiale., tandis que. l'électroaimant 18 est arrangé de manière à .générer un champ magnétique B qui soit orienté en direction sensiblement perpendiculaire à cette direction radiale et à. la direction d'écoulement .des .gaz de combustion ionisés. Les autres éléments .du générateur magnétohydrodynamique 10 sont analogues à ceux du premier mode de réalisation et reçoivent les mêmes repères sur le dessin.
Bien que la Veine d'écoulement 11 soit annulaire dans ces .dei.1X
modes de réalisation, afin de faciliter l'intégration du générateur magnétohydrodynamique 10 dans le turbomoteur 101, d'autres. formes.
sont également envisageables, par exemple .pour intégrer le générateur magnétohydrodynamique. 10 dans une tuyère plate. Ainsi, dans un autre mode de réalisation alternatif., illustré. .sur la figure. 5, .1a veine d'écoulement 11 a une section rectangulaire, mais le: générateur magnétohydrodynamique suivent ce troisième .mode de réalisation est en tout autre point analogue à celui du premier mode de. réalisation, et les.
éléments équivalents reçoivent les mêmes repères sur cette figure.
Bien que, 'dans le premier mode. .de réalisation, le générateur magnétohydrodynamique 10 soit situé en aval des deux turbines 203, 205, il est aussi envisageable de le situer entre les deux turbines 203, 205, comme dans le quatrième mode de réalisation illustre sur la figure. 6, voire =
directement en aval de la chambre de combustion 202, en amont des deux turbines 203, 205, comme dans le cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 7. Dans les deux cas, les éléments du générateur magnétohydrodynamique 10 restent analogues à ceux du premier mode 5 de réalisation et reçoivent les mêmes repères sur les figures.
Le fonctionnement du générateur magnétohydrodynamique 10 suivant chacun de ces modes de réalisation est également similaire. Dans chaque cas, des gaz de combustion issus de la chambre de combustion 10 202 sont au moins partiellement ionisés par le dispositif d'ionisation 14, accélérés dans le segment convergent 11a de la veine d'écoulement 11, avant de pénétrer dans les canaux 16 délimités par chaque paire de bras 15, dans lesquels ils sont soumis aux champs magnétiques B générés par les électroaimants 18 en direction sensiblement perpendiculaire à celle de l'écoulement des gaz de combustion ionisés dans chaque canal 16, pour générer un courant électrique entre les électrodes 17, courant électrique pouvant notamment servir à alimenter différents dispositifs embarqués à
bord de l'hélicoptère 1. En sortie des canaux 16, l'écoulement des gaz de combustion décélère dans le segment divergent 11b.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, bien que dans chacun des modes de réalisation illustrés chaque canal 16 ne soit équipé que d'une seule paire d'électrodes 17, il est aussi envisageable de placer plusieurs paires d'électrodes dans chaque canal, ces paires d'électrodes pouvant par exemple se succéder dans le sens d'écoulement du fluide de travail. En outre, ces générateurs magnétohydrodynamiques pourraient être utilisé
dans d'autres types de turbomachines que les turbomoteurs illustrés. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. GEN ERATEU R MAGNI Er HYDRODYNAM IQU E
Background of the invention The present invention relates to the field of magnetohydrodynamics and in particular its use for the recovery of at least part of. the residual energy of the fluid work of a turbine.
By turbine we mean a rotating device intended to use energy of a working fluid to rotate a rotating shaft. The energy of the fluid of work, characterized by its speed and its enthalpy, is ainst.
partially converted into metanic energy which can be extracted by the rotating shaft. However, the working fluid normally keeps, downstream of the turbine, a significant residual energy. In the description which follows the terms "upstream" and "downstream" are defined in relation to the meaning of normal circulation of the working fluid.
In French patent application .FR 2 085 190, we have already proposed.
to use a magnetohydrodynamic generator in addition to one.
turbine to recover the energy contained in the 'working fluid'.
turbine In such a magnetohydrodynamic generator, the flow of an ionized fluid, subjected to a magnetic field in the direction perpendicular to the flow of the ionized fluid1. generates a current.
electrical between two electrodes spaced from each other: in.
another direction perpendicular to the flow of the ionized fluid and to the magnetic field.
In practice, however, the integration of such a generator magnetohydrodynamics and A turbine does not have any disadvantages.
particularly with regard to the arrangement of the electrodes and means of generating the magnetic field in a vein flow of the working fluid from the turbine.
3.5 Purpose and summary of. the invention The present disclosure aims to remedy these drawbacks, by proposing a magnetohydrodynamic generator allowing simpler integration into an assembly including a turbine intended to be actuated by the same working fluid.
In at least one phase of implementation, this goal is achieved through fact that the magnetohydrodynamic generator, yes includes a vein flow of a working fluid delimited by a first wall and a second wall and a device for ionizing the working fluid, also further comprises at least one pair ...arms each connecting the first and second walls downstream of said ionization device so as to delimit between said arms and said: walls a channel in the flow vein arranged to be crossed by a part of the fluid of work _after its ionization, a magnet to generate a magnetic field oriented in direction perpendicular to the flow of the working fluid in the channel delimited by the pair of arms and said walls, and at least..
a pair of electrodes, each of the electrodes of each pair being arranged on one side of the channel delimited by the pair of arms and said walls, the electrodes of each pair being spaced apart from each other in a direction perpendicular to said magnetic field and to.
the flow of the working fluid in the channel delimited by the pair of arms and 'the said walls. The magnet may be an electromagnet. with possibly a solenoid which can advantageously be improved conductivity thanks to the integration of carbon nanotube into the soul of the conductor Qu still be superconductor, but could also be a permanent magnet. In one pile falls into the other, he could include a laminated core.
Thanks to. These arrangements facilitate the arrangement of the electrodes and of the poles of the magnet along two substantially perpendicular axes between them and in relation to the flow of the working fluid. In addition, we can be limited to generating electricity only from part of the fluid working of a turbine, this yes can be desired, for example; if the turbine is intended to provide mechanical power relatively important,: while the magnetohydrodynamic generator is intended to provide ..a significantly reduced electrical power, at auxiliary title.
In particular, each electrode of each electrode bulb can be placed on one arm of said pair of arms. In this case, for generate a magnetic field 'perpendicular to the flow of the. fluid of work in the direction in which the electrodes are separated from each other the other, the magnet may comprise a core housed inside one of said However, an alternative arrangement is also possible in which each electrode of each pair would be arranged...on one of the walls delimiting the flow vein, the magnet then being arranged to generate a magnetic field. oriented in the direction in which the arms are separated from each other 15.
In order to accelerate the flow of fluid in the channel delimited by the walls and arms, thus increasing the efficiency of the generator ma.gnetohydrodynamic, the first and second walls can converge one. towards the other in one direction of gas flow .20 combustion on at least a first segment of the flow stream Located upstream of said pair of arms. In this case, and in order to avoid significant reaction thrust, particularly when the generator magnetohydrodynamic is installed in a nozzle. exit from a turbine engine, and in particular a vellUte aircraft turbine engine 25 rotating, the first and second walls can diverge from one of the other in a direction of flow of the working fluid. on at least one second segment of the flow vein located downstream of said pair arm, so as to reduce the flow speed again.
30 In order to allow the effective ionization of the working fluid, and in particular of a gaseous working fluid, said ionization device can take the form of a torch. plasma. 'Such a plasma torch can in particular include a pair of electrodes connected to a device generation of a continuous or alternating electrical potential between the.
35 electrodes of this pair which is equal to Qu greater than the potential ionization of the working fluid. However, other types of devices ionization are also enyisagea.bies such as for example A device ionization by microwave injection, by helicon discharge or by inductive coupling. Furthermore, to facilitate [ionization of the fluid of work, the small generator comprises a device for injecting elements at low ionization potential upstream of said ionization device, as well as as possibly a filter for recovering low potential elements.
ionization downstream of the channel delimited by the walls and the arms.
Of the. relatively short distances between electrodes and poles magnetic 'opposed in the channel delineated by the pair of arms and the walls can be positive = for performance and efficiency.
magnetohydrodynamic generator. To increase the quantity. of working fluid used for magnetohydrodynamic generation, all: in limiting these dimensions, the generator can include a plurality of pairs of arms each connecting the first and second walls downstream of said ionization device and, for each pair of arms, a magnet and a pair of electrodes. By dividing the magnetohydrodynamic generation electricity between several channels, it is possible to increase the electrical power while maintaining a flow section restricted for each canai. The electrode pairs of each Channel can be electrically connected in series QL1.in parallel.
In order to more easily adapt this generator magnetohydrodynamic to a turbine, the flow vein can be.
annular, said first and second walls being concentric around a central axis of the flow vein, and said arms being radials.
The present disclosure also relates to a turbomachine .30 comprising at least one such Magnetohydrodynamic generator, .and minus a turbine arranged to be actuated. by myself .fluid of work as the magnetohydrodynamic generator, The generator magnetohydrodynamics can thus be used, for example, to recover minus a part of the residual energy of the working fluid which cannot be operated by the turbine. This turbomachine can in particular include a combustion chamber upstream of the turbine and the magnetohydrodynamic generator, to produce gases of high enthalpy combustion forming the working fluid of the turbine and of the magnetohydrodynamic generator downstream and whose high temperatures facilitate their ionization. Furthermore, to increase 5 the enthalpy of the combustion gases and impulse their flow, this turbomachine may include at least one compressor upstream of the combustion chamber and a first turbine which is coupled to said compressor through a first rotating shaft for its actuation.
It can also include a second turbine. In this last case, this second turbine, which can in particular be located downstream of the first turbine but upstream of the magnetohydrodynamic generator, could be coupled to an output shaft to form a turbine engine, such as for example a turbine engine of a rotary wing aircraft r In order to better be able to exploit the residual energy of the fluid work which cannot be operated by the turbine, generator magnetohydrodynamic can be arranged in an outlet nozzle in downstream of the turbine.
The present disclosure also relates to a method magnetohydrodynamic electrical generation in which a fluid working is at least partially ionized by an ionization device in a flow vein delimited by a first and a second wall, and an ionized part of the working fluid passes through a delimited channel in the flow vein by said walls and a pair of arms connecting each the first and second walls downstream of said device ionization, and is subjected to a magnetic field generated in this channel by a magnet in a direction perpendicular to the flow of the fluid work, so as to generate an electric current between electrodes of at least one pair of electrodes, each of the electrodes of each pair being arranged on one side of the channel delimited by the pair of arms and said walls, the electrodes of each pair being spaced one by relative to the other in a direction perpendicular to said field magnetic and the flow of combustion gases in this channel. This magnetohydrodynamic process of electricity generation can in particular to be used to recover residual energy from a working fluid having previously been used to drive at least one turbine.: En. particular, on board a vehicle. powered by a turbine engine, this process.
Magnetohydrodynamics can be used to generate electrical energy used to power auxiliary equipment of the vehicle other than:
turbine engine.
Brief description of the drawings The invention will be well understood and its advantages. will appear better, reading the detailed description yes follows,. of .modes of embodiment represent .to. title .cl examples. non-limiting. The description refers to annexed drawings in which:
Figure I is a schematic perspective view of an aircraft with rotating wing. with a turbine engine equipped with a generator magnetohydrodynamic according to one embodiment;
Figure 2 is one. schematic view in longitudinal section of a turbine engines in the figure..?
--- Figure 3.A is a schematic perspective view of a part of the magnetohydrodynamic generator. of the turbine engine of the Figure 2;
¨Figure 313 illustrates a detail of Figure 3A;
¨ Figure 4 is one. schematic perspective view of a magnetohydrodynamic generator following a second mode.
of realization;
there. Figure 5. is a schematic perspective view of a Magnetohydrodynamic generator following a third mode of achievement;
¨ Figure 6 is a schematic view in longitudinal section of a turbine engine: according to a fourth mode of. realization ; And Figure 7 is a schematic view of a turbine engine following a fifth embodiment.
Detailed description of the invention Figure 1 illustrates a rotary wing aircraft, more precisely a helicopter 100, with a turbine engine 101 to improve the operation of its main rotor 102 and its tail rotor 103 through a transmission 104. The turbine engine 101 includes a generator magnetohydrodynamic 10 according to one embodiment to provide an electric current to different electrical consumers embarked on helicopter 1.
As illustrated in greater detail in Figure 2, the turboshaft 101 comprises a gas generator with, in the flow direction of air, a compressor 201, a combustion chamber 202 with a igniter and injectors connected to a power supply circuit fuel (not illustrated), and a first turbine 203, coupled to the compressor 201 through a first rotating shaft 204. Downstream of this first turbine 203, the turbine engine 101 comprises a second turbine 205 coupled to a second rotating shaft 206, which in the helicopter 1 can be coupled to the transmission 104 to operate the rotors 102, 103. Finally, downstream of the second turbine 205, the turbine engine includes a combustion gas outlet nozzle 207.
In this first embodiment, the generator magnetohydrodynamic 10 is integrated into this nozzle 206 downstream of the turbines 203, 205. Within this magnetohydrodynamic generator 10, the annular vein 11 for the flow of combustion gases which constitute, in this embodiment, the working fluid of the turbines 203, 205 and of the magnetohydrodynamic generator 10, is delimited by a first wall 12, internal, and a second wall 13, external and concentric with the first wall 12 around the central axis turbine engine 101. The magnetohydrodynamic generator 10 comprises also a device 14 for ionizing the combustion gases. These measures ionization 14 can be, for example, a plasma torch with two electrodes configured to create an electric field between them, field electric powerful enough to ionize combustion gases flowing at high temperatures and speeds through the vein annular 11 to create an electrically conductive cold plasma. This strong electric field can be direct or alternating, an alternating field making it possible to avoid a thermal imbalance of the cold plasma. For facilitate the ionization of combustion gases, the turbine engine 101 can also include a device for injecting low potential elements ionization, such as potassium, upstream of the ionization device. This device for injecting elements with low ionization potential can in particular be integrated into the fuel supply circuit, so that elements with low ionization potential are injected in the combustion chamber 202 with the fuel.
On a first segment 11=a of annular vein 11 for the flow of combustion gas within this magnetohydrodynamic generator 10, the walls 12, 13 converge in the direction of flow of the gases combustion in order to accelerate their flow, while on a second segment 11b, these walls 12, 13 diverge again in the direction flow of combustion gases so as to reduce their speed before their exit from the nozzle 207. Between the convergent segment lia and the divergent segment llb of pairs of radial arms 15 connect the walls 12, 13, so as to form channels 16 in the vein 11, each channel 16 being delimited by the walls 12, 13 and the arms 15 of a pair. To avoid that the elements with low ionization potential injected upstream are then expelled outside, the generator 10 can also include a filter (not illustrated) for recovering low potential elements ionization downstream of channels 16.
In the embodiment illustrated in greater detail in the figures 3A, 3B, the magnetohydrodynamic generator 10 comprises, for each channel 16, at least one electrode 17 mounted on an internal face of each of the arms 15 delimiting this channel 16, so as to be exposed to the ionized combustion gases passing through this channel 16, as well as a electromagnet 18 with poles 18a, 18b opposite in the radial direction, covered respectively by the internal wall 12 and the external wall 13 of a side and other of channel 16, and connected by a core 18c housed in one of the arm 15, laminated and surrounded by a solenoid 18d, so as to generate a magnetic field B in channel 16 which is oriented in the radial direction and therefore substantially perpendicular to the flow of gases ionized combustion in channel 16. In order to generate a field particularly powerful magnetic, the 18d solenoid can in particular:
be superconducting.
Thus, in this embodiment, the flow of gas.
ionized combustion through each channel .16, subjected to the field.
magnetic. B: generated by electromagnet 18: can generate force electromotive and therefore an electric current between the electrodes 17, located on either side. of. channel 16 and therefore opposite each other. In a direction perpendicular both to the direction of the flow and to the direction of the magnetic field B.
In an alternative embodiment, illustrated in the figure. 4, the arrangement of. walls 12.13, arms 15õ as well as channels 16 is identical. However, the electrodes 1.7 corresponding to each channel 16 are not mounted on the arms 15, but on the internal faces walls 1243 so as to be exposed to channel 16, but opposite in the radial direction., while. the electromagnet 18 is arranged so to .generate a magnetic field B which is oriented in the direction substantially perpendicular to this radial direction and to. The direction flow of ionized combustion gases. The other .du elements magnetohydrodynamic generator 10 are similar to those of the first embodiment and receive the same references in the drawing.
Although the flow vein 11 is annular in these .dei.1X
embodiments, in order to facilitate the integration of the generator magnetohydrodynamic 10 in the turbine engine 101, others. shapes.
are also possible, for example. to integrate the generator magnetohydrodynamics. 10 in a flat nozzle. So, in another alternative embodiment., illustrated. .on the face. 5, .1a vein flow 11 has a rectangular section, but the: generator magnetohydrodynamics follow this third embodiment.
any other point analogous to that of the first mode of. achievement, and the.
Equivalent elements receive the same marks in this figure.
Although, 'in the first mode. .of realization, the generator magnetohydrodynamic 10 is located downstream of the two turbines 203, 205, it is also possible to locate it between the two turbines 203, 205, as in the fourth embodiment illustrated in the figure. 6, even =
directly downstream of the combustion chamber 202, upstream of the two turbines 203, 205, as in the fifth embodiment illustrated in Figure 7. In both cases, the elements of the generator magnetohydrodynamics 10 remain similar to those of the first mode 5 of production and receive the same references in the figures.
The operation of the magnetohydrodynamic generator 10 according to each of these embodiments is also similar. In each case, combustion gases coming from the combustion chamber 10 202 are at least partially ionized by the ionization device 14, accelerated in the convergent segment 11a of the flow vein 11, before entering the channels 16 delimited by each pair of arms 15, in which they are subjected to magnetic fields B generated by the electromagnets 18 in a direction substantially perpendicular to that of the flow of ionized combustion gases in each channel 16, for generate an electric current between the electrodes 17, electric current which can be used in particular to power various on-board devices board of the helicopter 1. At the outlet of the channels 16, the flow of gases combustion decelerates in the divergent segment 11b.
Although the present invention has been described with reference to specific examples of realization, it is obvious that different modifications and changes can be made to these examples without departing from the general scope of the invention as defined by the claims. For example, although in each of the modes of embodiment illustrated each channel 16 is equipped with only one pair of electrodes 17, it is also possible to place several pairs electrodes in each channel, these pairs of electrodes being able to example follow one another in the direction of flow of the working fluid. In Besides, these magnetohydrodynamic generators could be used in other types of turbomachines than the turboshafts illustrated. In in addition, individual characteristics of different embodiments mentioned can be combined in embodiments additional. Therefore, the description and drawings must be considered in an illustrative rather than restrictive sense.
Claims (15)
une veine d'écoulement d'un fluide de travail délimitée par une première paroi et une deuxième paroi;
un dispositif d'ionisation du fluide de travail;
une paire de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation de manière à délimiter entre lesdits bras et lesdites parois un canal dans la veine d'écoulement, ledit canal étant disposé pour être traversé par une partie du fluide de travail après sa ionisation;
un aimant pour générer un champ magnétique orienté en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail dans le canal délimité par la paire de bras et lesdites parois; et au moins une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d'un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, lesdites électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à l'écoulement du fluide de travail dans le canal délimité par la paire de bras et lesdites parois. 1. Magnetohydrodynamic generator comprising at least:
a flow vein of a working fluid delimited by a first wall and a second wall;
a device for ionizing the working fluid;
a pair of arms each connecting the first and second walls downstream of said ionization device so as to delimit between said arm and said walls a channel in the flow vein, said channel being arranged to be crossed by part of the working fluid after its ionization;
a magnet to generate a magnetic field oriented in direction perpendicular to the flow of the working fluid in the channel delimited by the pair of arms and said walls; And at least one pair of electrodes, each of the electrodes of each pair being arranged on one side of the channel delimited by the pair of arms and said walls, said electrodes of each pair being spaced apart relative to the other in a direction perpendicular to said field magnetic and the flow of the working fluid in the channel delimited by the pair of arms and said walls.
bas potentiel d'ionisation en amont dudit dispositif d'ionisation. 7. Magnetohydrodynamic generator according to any one of claims 1 to 6, comprising a device for injecting elements with low ionization potential upstream of said ionization device.
9, et au moins une turbine disposée pour être actionnée par le même fluide de travail que le générateur magnétohydrodynamique. 10. Turbomachine comprising at least one generator magnetohydrodynamic according to any one of claims 1 to 9, and at least one turbine arranged to be actuated by the same fluid work than the magnetohydrodynamic generator.
Turbomachine suivant la revendication 11, comprenant au moins un compresseur en amont de la chambre de combustion et dans laquelle la turbine est couplée audit compresseur à travers un premier arbre rotatif pour son actionnement.
Date Reçue/Date Received 2023-02-13 12.
Turbomachine according to claim 11, comprising at least a compressor upstream of the combustion chamber and in which the turbine is coupled to said compressor through a first rotating shaft for its operation.
Date Received/Date Received 2023-02-13
13, dans laquelle le générateur magnétohydrodynamique est disposé dans une tuyère de sortie en aval de la turbine. 14. Turbomachine according to any one of claims 10 to 13, in which the magnetohydrodynamic generator is arranged in an outlet nozzle downstream of the turbine.
un fluide de travail est au moins partiellement ionisé par un dispositif d'ionisation dans une veine d'écoulement délimitée par une première et une deuxième parois;
une partie ionisée du fluide de travail traverse un canal délimité
dans la veine d'écoulement par lesdites parois et une paire de bras reliant chacun les première et deuxième parois en aval dudit dispositif d'ionisation, et est soumise à un champ magnétique généré par un aimant dans ce canal en direction perpendiculaire à l'écoulement du fluide de travail, de manière à générer un courant électrique entre des électrodes d'au moins une paire d'électrodes, chacune des électrodes de chaque paire étant disposée d'un côté du canal délimité par la paire de bras et lesdites parois, lesdites électrodes de chaque paire étant espacées l'une par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audit champ magnétique et à l'écoulement des gaz de combustion dans le canal.
Date Reçue/Date Received 2023-02-13 15. Magnetohydrodynamic process for generating electricity in which :
a working fluid is at least partially ionized by a ionization device in a flow vein delimited by a first and second walls;
an ionized part of the working fluid passes through a delimited channel in the flow vein by said walls and a pair of arms connecting each the first and second walls downstream of said ionization device, and is subjected to a magnetic field generated by a magnet in this channel in the direction perpendicular to the flow of the working fluid, so generating an electric current between electrodes of at least one pair of electrodes, each of the electrodes of each pair being arranged with a side of the channel delimited by the pair of arms and said walls, said electrodes of each pair being spaced apart from each other in a direction perpendicular to said magnetic field and to the flow combustion gases in the channel.
Date Received/Date Received 2023-02-13
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Legal Events
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